動物黑色素形成及調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

趙凈穎，李豐耘，豆騰飛，王 坤，黃 英，賈俊靜*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201；2.云南省西雙版納州勐臘縣畜牧獸醫(yī)站，云南西雙版納 666300）

黑色素（Melanins）是一種廣泛存在于動、植物和微生物中的生物色素，是由酪氨酸和相關(guān)酚類化合物組成的一類廣泛分布的酚類生物聚合物。動物黑色素主要分為真黑色素（Eumelanin）和脫黑色素（Pheomelanin）2 類，真黑色素由酪氨酸氧化生成的吲哚單體5，6-二羥基吲哚（DHI）和5，6-二羥基吲哚-2-羧酸（DHICA）組成，不含硫原子，呈棕色至黑色；脫黑色素由半胱氨酸多巴單體氧化生成的苯丙噻嗪類物質(zhì)組成，含硫原子，呈黃色至微紅棕色。動物黑色素主要沉著在頭發(fā)、皮膚、角質(zhì)層、羽毛和眼睛等，黑色的深淺主要由真黑色素和脫黑色素的相對數(shù)量決定。黑色素在皮膚中起美容、排毒和光保護(hù)作用（防輻射損傷），在掠食動物和獵物中起著偽裝和防御的作用，在兩棲動物和冷血動物中起著體溫調(diào)節(jié)的作用；此外，黑色素還有抗氧化和抗病性等作用。目前，由黑色素形成的“烏質(zhì)性狀”已成為畜禽育種工作者們關(guān)注的重要性狀。常見動物的烏質(zhì)性狀見表1。因此，研究黑色素形成、影響因素及調(diào)控，對闡明動物烏質(zhì)性狀形成機(jī)制意義重大。

表1 常見畜牧動物的烏質(zhì)性狀

1 黑色素的生成

黑色素是由黑色素細(xì)胞生成并且儲存的，脊椎動物黑色素細(xì)胞幾乎都是從神經(jīng)嵴發(fā)源而來（除視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞之外），神經(jīng)嵴細(xì)胞在神經(jīng)管閉合時向組織擴(kuò)散，沿著2 條空間離散的路徑遷移，神經(jīng)嵴來源的細(xì)胞直到分散后才會經(jīng)歷明顯的分化，并在精確的位置產(chǎn)生外周神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和黑色素細(xì)胞。神經(jīng)嵴來源的黑色素細(xì)胞在胚胎發(fā)生過程中通過間充質(zhì)向表皮和毛囊遷移。黑色素細(xì)胞大多數(shù)儲存在真皮中，占表皮細(xì)胞的2%～4%，隨著年齡逐漸增加而慢慢減少。

黑色素是一種由黑色素細(xì)胞分泌的酪氨酸酶（TYR）催化體內(nèi)酪氨酸羥化合成的聚合物，擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在黑色素細(xì)胞內(nèi)，黑色素在稱為黑素體的獨特的、專門的膜結(jié)合細(xì)胞器中合成。黑色素生成開始于TYR催化的-酪氨酸合成多巴醌，并通過連續(xù)的氧化和脫羧中間步驟進(jìn)行，最常導(dǎo)致真黑色素和脫黑色素2 種黑色素形式產(chǎn)生。具體表現(xiàn)為酪氨酸經(jīng)TYR 催化轉(zhuǎn)化為多巴（即3，4-二羥基苯丙氨酸，DOPA），DOPA在TYR 作用下進(jìn)一步氧化為多巴醌（DQ），DQ 經(jīng)多聚化反應(yīng)與氧化反應(yīng)生成多巴色素，多巴色素經(jīng)過羧化和脫羧化形成中間體5，6-二羥基吲哚（DHI）和5，6-二羥基吲哚羧酸（DHICA），之后二者在TYR 及其相關(guān)蛋白的作用下形成中間產(chǎn)物5，6-吲哚醌（IQ）和5，6-吲哚醌羧酸（IQCA），最后2 種中間產(chǎn)物結(jié)合形成的異聚體即為真黑色素；而在酪氨酸氧化剛開始時形成的DQ 多了谷胱甘肽和半胱氨酸參與后，產(chǎn)生谷胱氨酰多巴和谷胱氨酰多巴醌，最后形成脫黑色素。其中，真黑色素和脫黑色素含量是由TYR 活力決定的，高活力的TYR 通過真黑色素的途徑合成真黑色素，需要高活性的酪氨酸酶相關(guān)蛋白-1（TRP1）與酪氨酸酶相關(guān)蛋白-2（TRP2）參與，反之則合成脫黑色素。黑色素生成過程如圖1 所示。

圖1 黑色素生成過程

2 黑色素形成的影響因素

2.1 營養(yǎng)因素 由黑色素的合成可知，酪氨酸水平及TYR 活性對動物黑色素的作用極其重要，而日糧中酪氨酸含量可顯著影響機(jī)體酪氨酸水平及TYR 活性。趙燕平等研究表明，1～4 周齡泰和烏骨雞組織中黑色素含量隨著日糧酪氨酸水平的提高先增加后降低，心臟、肌肉、皮膚中黑色素含量在1.18%酪氨酸水平時達(dá)到最高，而肝臟組織中黑色素的含量在0.98%酪氨酸水平達(dá)到最高。Li 等在淅川烏骨雞基礎(chǔ)日糧中分別添加0%（對照組）、0.2%、0.4%、0.6%、0.8% 和1.0% 的酪氨酸，飼養(yǎng)12 周后測定胸肌黑度及黑色素含量，結(jié)果表明，0.8%實驗組胸肌中黑色素的沉積量最高?？梢姡谝欢ǖ睦野彼崴椒秶鷥?nèi)，提高日糧酪氨酸水平可提高泰和烏骨雞組織中黑色素含量。除酪氨酸外，有研究發(fā)現(xiàn)日糧中添加微量元素可增加烏骨雞組織中黑色素的含量。張倩雲(yún)等研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加適量的硒或酪氨酸均能提高凌云烏雞血清與胸肌、肝臟、皮膚等組織中的黑色素含量及TYR 活性，并且硒與酪氨酸對于黑色素的含量存在互作效應(yīng)。熊小文等研究表明，9～12 周齡泰和烏骨雞肝臟、腎臟、胸肌和皮膚黑色素含量隨日糧硒添加水平的提高呈先上升后下降的趨勢。許蘭嬌等研究表明，在9～12 周齡泰和烏骨雞飼糧中添加適量銅可顯著或極顯著影響其血清、肝臟、腎臟、皮膚及肌肉的黑色素含量、TYR 活性，并呈現(xiàn)出隨飼糧銅添加水平提高而先升后降的趨勢。此外，日糧中添加中草藥可提高TYR 活性來增加烏骨雞組織黑色素的含量。劉子暄等研究表明，中草藥飼料添加劑可提高泰和烏骨雞肌肉中的TYR 活力，從而促進(jìn)其肌肉中黑色素的合成。

2.2 紫外線 紫外線可激活皮膚中的TYR，促使基底層黑色素細(xì)胞中的酪氨酸經(jīng)過一系列反應(yīng)生成黑色素，黑色素被黑色素細(xì)胞的樹狀分支輸送到表皮細(xì)胞中，皮膚黑色素細(xì)胞形成黑色素以吸收紫外線，阻止紫外線進(jìn)一步損害機(jī)體。在高紫外線輻射下，深色皮膚具有生物優(yōu)勢，可防止紫外線引起的曬傷、皮膚癌、免疫抑制和葉酸光解，葉酸是胚胎神經(jīng)管發(fā)育和生育所必需的代謝產(chǎn)物；而在低紫外線輻射水平下，淺色皮膚具有生物優(yōu)勢，需要紫外線B（UVB）對應(yīng)于皮膚中7-脫氫膽固醇轉(zhuǎn)化為維生素D的有效波長，對健康產(chǎn)生多種影響，包括從骨代謝、固有免疫反應(yīng)、細(xì)胞增殖和分化到生育等多方面。閆娟等研究表明，不同劑量UVB照射黑素細(xì)胞和表皮細(xì)胞后，部分黑素細(xì)胞和表皮細(xì)胞發(fā)生早衰，但酪氨酸介導(dǎo)的黑色素合成途徑中TYR 活性升高和黑素細(xì)胞刺激表達(dá)增加，黑色素含量增加。周夢云等研究發(fā)現(xiàn)，與正常皮膚區(qū)域相比較，小型豬紫外線照射區(qū)皮膚的黑色素指數(shù)顯著增高。

2.3 雌激素 基底皮膚中的黑色素細(xì)胞通過合成黑色素來控制皮膚色素沉著，而雌激素可增加黑色素細(xì)胞的色素生成。雌激素對黑素細(xì)胞具有增生作用，可能導(dǎo)致色素沉著過度。有研究報道，高雌激素會增加惡性黑色素瘤生成的風(fēng)險；但也有研究表明這兩者沒有明顯關(guān)聯(lián)。唐建兵研究表明，雌激素對黃褐斑的發(fā)病可能具有促進(jìn)作用，一定濃度的雌激素可以提高TYR 活性，促進(jìn)黑色素細(xì)胞合成色素。Tang 等研究不同外源雌激素二乙基己烯雌酚（DES）濃度對黑素細(xì)胞增殖和TYR 活性的影響，結(jié)果表明向培養(yǎng)基中添加DES（10～10mol/L）增強(qiáng)了黑素細(xì)胞增殖，在濃度為10mol/L 時黑素細(xì)胞的TYR 活性顯著增加。簡丹研究表明，己烯雌酚對黑色素合成有上調(diào)作用，并呈濃度依賴性，且促黑色素合成可能與上調(diào)TYR 表達(dá)、增加其活性有關(guān)。

2.4 遺傳因素 黑色素生成主要受到諸如種族的預(yù)先確定的遺傳因素的影響，并且這一過程可以為動物機(jī)體提供保護(hù)和維持體內(nèi)平衡。皮膚顏色會隨物種的不同出現(xiàn)較大差異，對于個體而言，身體各個部位的顏色也有差異。Durairaj 等研究黑色素在人、猴、兔子、小型豬和狗模型中的眼內(nèi)分布情況，結(jié)果表明在人類中，鞏膜黑色素水平高于視網(wǎng)膜和中央脈絡(luò)膜；在其他所有物種中，黑色素含量的等級順序為：脈絡(luò)膜RPE＞視網(wǎng)膜≥鞏膜?？梢?，黑色素含量在不同物種之間甚至同一物種不同組織區(qū)域之間都不同。徐方正等通過肌肉背最長肌研究表明，烏骨山羊肌肉組織中存在黑色素顆粒，而普通山羊組織中則沒有，烏骨山羊肌肉內(nèi)黑色素含量為0.416%，其含量是普通山羊的7.6 倍，兩者差異極顯著，可見烏骨山羊的“烏肉”特征是由于肌肉組織中含有大量黑色素而形成的烏質(zhì)性狀；烏骨山羊血清中的褐黑素、堿溶性黑色素含量與普通山羊并無顯著差異，在肌肉組織中沒有發(fā)現(xiàn)黑素細(xì)胞分布，由此推測黑色素經(jīng)血液運(yùn)輸?shù)郊∪饨M織中沉積，緩慢形成烏骨山羊肌肉的“烏色”特征。王高富等研究發(fā)現(xiàn)，酉州烏羊皮膚中真黑色素含量極顯著高于板角山羊皮膚中真黑色素含量，說明羊皮膚真黑色素含量與皮膚顏色之間有一定相關(guān)性。五指山豬的背部皮膚呈黑色，腹部皮膚呈白色，Xu 等使用高通量RNA 測序比較五指山豬白皮膚和黑皮膚樣本中編碼和非編碼RNA 的表達(dá)譜，功能分析發(fā)現(xiàn)黑色素A（），前黑素小體蛋白（），，多巴色素互變異構(gòu)酶（），褪黑素（）和鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶2（）等調(diào)節(jié)黑色素生成的幾個關(guān)鍵基因在兩個皮膚組織中的表達(dá)水平明顯不同，檢查了潛在的lncRNA-miRNA-基因相互作用發(fā)現(xiàn)共有15 個lncRNA，11 個miRNA 和7 個基因形成了23 個lncRNA-miRNA-基因?qū)?，這表明五指山豬的膚色特征是編碼和非編碼基因調(diào)控的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。這些結(jié)果均表明黑色素存在種族差異性，且同一個體的不同部位也存在較大差異。

3 黑色素形成相關(guān)信號通路的研究

黑色素生成是一個非常復(fù)雜的過程，眾多調(diào)控因子與信號通路相互作用，共同參與動物黑色素生成的調(diào)控。黑色素形成主要是由黑皮質(zhì)素受體1（MC1R）/-黑素細(xì)胞刺激激素（-MSH）信號通路、環(huán)磷酸腺苷（cAMP）/蛋白激酶A（PKA）信號通路、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）/ 細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK）信號通路、磷酸肌醇3 激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信號通路、Wnt/連環(huán)蛋白（-catenin）信號通路等參與調(diào)控的（圖2）。

圖2 動物黑色素生成相關(guān)信號通路網(wǎng)絡(luò)圖

3.1 MC1R/-MSH 信號通路是黑皮質(zhì)素（MC）受體家族的成員之一，該家族還包括和等成員，這些成員具有不同的組織表達(dá)和功能。研究表明，與動物的毛色性狀有關(guān)，可作為毛色選育的候選基因。-是可以誘導(dǎo)TYR 表達(dá)的重要因子，是垂體中間部細(xì)胞分泌的一種多肽激素，能調(diào)節(jié)小鼠黑色素瘤細(xì)胞中的表達(dá)和功能。存在于黑色素細(xì)胞中的，其激動劑包括-MSH，它可以激活腺苷酸環(huán)化酶，增加細(xì)胞內(nèi)cAMP和激活cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）。功能由激動劑-MSH 和促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH）以及拮抗劑Agouti 信號蛋白（ASIP）控制。激動劑與的結(jié)合最終使TYR 活性增加，導(dǎo)致真黑色素合成；相反，當(dāng)ASIP 與結(jié)合時，TYR 活性降低，導(dǎo)致脫黑色素產(chǎn)生。

在MC1R/-MSH 信號通路中，-MSH 結(jié)合MC1R激活腺苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生cAMP，cAMP 激活PKA，并增加黑素細(xì)胞特異性小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（）的表達(dá)，調(diào)節(jié)黑色素生成酶的水平，從而誘導(dǎo)黑色素的生成。其中，MITF 是黑色素細(xì)胞存活和增殖的主要正調(diào)節(jié)劑，在黑色素生成中起關(guān)鍵作用，可調(diào)節(jié)黑色素生成酶（TYR、TRP1 和TRP2）的表達(dá)。Almeida 等研究顯示，人類頭發(fā)黑色素的產(chǎn)生增加與和基因表達(dá)升高以及表達(dá)降低有關(guān)，隨后也證實了在人類頭發(fā)色素沉著中的關(guān)鍵作用。余麗莎研究顯示，以窄波紫外線（NB-UVB）照射豚鼠背部裸露的皮膚后，豚鼠背部裸露區(qū)域呈明顯的深棕黑色，色素均勻分布，黑色素顆粒含量大幅增長，且皮膚組織中-的表達(dá)量均增加；而經(jīng)離子體射頻技術(shù)（Plasma）與強(qiáng)脈沖光（IPL）治療后，NB-UVB 所致的豚鼠背部皮膚的色素沉著均一定程度上減少，且豚鼠背部皮膚中-的表達(dá)降低，促進(jìn)了NB-UVB 所致的豚鼠背部皮膚色素沉著的褪去；可見，豚鼠皮膚中-和的表達(dá)與皮膚的色素沉著存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 cAMP/PKA 信號通路 誘導(dǎo)黑素生成的最重要的信號途徑之一是cAMP/PKA 途徑。-MSH 刺激黑素MC1R 通過G 蛋白信號激活腺苷酸環(huán)化酶，從而增加cAMP 的產(chǎn)生；cAMP 通過激活PKA 和cAMP 響應(yīng)元件結(jié)合蛋白1 轉(zhuǎn)錄因子來上調(diào)的表達(dá)，后者控制黑素生成酶（和）mRNA 水平，從而調(diào)節(jié)黑色素的生成。鄭嫩珠等研究表明，基因表達(dá)量在白絨烏雞各組織間差異極顯著，其中以皮膚表達(dá)量最高；各組織黑色素的沉積規(guī)律與各組織基因的表達(dá)規(guī)律大體相似，總體趨勢表現(xiàn)為皮膚＞腎＞肌胃＞肝＞肌肉；且白絨烏雞組織中基因的表達(dá)量與黑色素含量呈顯著正相關(guān)。結(jié)果表明基因表達(dá)具有組織特異性，對白絨烏雞體內(nèi)黑色素沉積起正向調(diào)控作用，其高表達(dá)可能有助于烏雞體內(nèi)黑色素的形成。Yun 等研究表明，抑制CREB 的cAMP/ PKA 信號磷酸化，并抑制cAMP 調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄共激活因子1（CRTC1）的去磷酸化，下調(diào)-或基因的表達(dá)，可減少黑色素的沉著。Kim 等研究表明，通過激活cAMP/ PKA 信號傳導(dǎo)和CREB 磷酸化并上調(diào)cAMP 信號傳導(dǎo)激活的、和表達(dá)來刺激TYR 的活性和表達(dá)，從而可以刺激鼠B16F10黑色素細(xì)胞中黑色素的生成。Lee 等研究顯示，白僵菌素可降低黑色素細(xì)胞的黑色素含量和TYR 活性，降低、TYR、TRP1 和TRP2 的蛋白水平，抑制cAMP-PKA-CREB 信號傳導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)cAMP/PKA 途徑抑制黑色素生成，從而導(dǎo)致黑色素水平降低?？梢?，cAMP/PKA 信號通路的激活可調(diào)節(jié)黑色素的生成。

3.3 MAPK/ ERK 信號通路 MAPK 家族成員包括ERK、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和p38 MAPK。有研究表明，與哺乳動物的黑色素生成有關(guān)。劉學(xué)賢等研究表明，利用miR-146a 抑制其靶基因和的表達(dá)，可通過影響MAPK 級聯(lián)路徑中等重要因子的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控羊駝黑色素細(xì)胞的增殖和遷移能力。在黑色素細(xì)胞中，可激活MAPK/ ERK 途徑，從而通過調(diào)節(jié)的激活和穩(wěn)定性來調(diào)控黑色素合成。cAMP 的上調(diào)激活了黑色素細(xì)胞中的MAPK/ ERK 途徑，而該途徑中ERK 或JNK 的活化（磷酸化）會觸發(fā)的表達(dá)，導(dǎo)致其降解，從而減少黑色素生成。Kim 等研究表明，的磷酸化會抑制斑馬魚黑色素生成，而抑制的磷酸化可通過增加基因的表達(dá)，使和上調(diào)促進(jìn)斑馬魚中黑色素的生物合成。Chae 等研究發(fā)現(xiàn)，下調(diào)、腺苷酸環(huán)化酶2、和的水平可減少黑色素產(chǎn)生，且PI3K/ Akt 和MAPK/ ERK 途徑的激活可能起到抑制黑色素生成的作用?？梢姡琈APK/ ERK 途徑激活可能負(fù)調(diào)控黑色素的生成。

3.4 PI3K/Akt 信號通路 PI3K/Akt 信號通路是一種重要的有絲分裂信號通路，在多種細(xì)胞過程中發(fā)揮著重要作用。近年來的研究表明，PI3K/Akt 信號通路對動物黑色素的生成具有調(diào)控作用。Shin 等研究表明，黑素細(xì)胞中核因子E2 相關(guān)因子2（）的過表達(dá)導(dǎo)致PI3K/Akt 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)明顯激活，降低了和基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致黑色素數(shù)量顯著減少；可見，PI3K/ Akt 信號傳導(dǎo)途徑的激活負(fù)調(diào)控黑色素生成。Moon 等研究顯示，氯雷他定下調(diào)黑色素細(xì)胞中的和表達(dá)，且持續(xù)激活A(yù)kt，而PI3K/Akt 途徑抑制劑LY294002 則解除了了氯雷他定引起的黑色素含量降低。綜上所述表明，氯雷他定可能通過PI3K/Akt 信號導(dǎo)致黑素生成蛋白的抑制，調(diào)節(jié)黑色素生成?？梢?，PI3K/Akt 途徑的激活可能對黑色素的生成發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用。

3.5 Wnt/-catenin 信號通路 據(jù)報道，經(jīng)典Wnt 信號，特別是和在黑色素細(xì)胞的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。Wnt 信號通路參與調(diào)控的表達(dá)，Wnt 途徑的激活抑制糖原合酶激酶3（）的磷酸化并導(dǎo)致-的積累，積聚的-被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中，并與淋巴增強(qiáng)因子（LEF）/T 淋巴細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（TCF）形成復(fù)合物，之后引起表達(dá)增加；其中，參與調(diào)節(jié)黑色素生成，抑制活性可通過Wnt/-catenin 途徑的激活增加黑色素合成。因此，Wnt/-catenin 信號通路的激活可能增加黑色素的產(chǎn)生。Su 等研究表明，MEK/ERK、PI3K/Akt 的激活 和Wnt/-catenin 信號通路的抑制組成了黑色素生成信號級聯(lián)，沒食子酸的激活可通過下調(diào)及其下游信號通路減少黑色素合成。Molagoda 等研究發(fā)現(xiàn)，非瑟酮（Fisetin）與GSK-3結(jié)合，可負(fù)性調(diào)節(jié)GSK-3，增加-catenin 的表達(dá)，導(dǎo)致黑色素生成；而Wnt/-catenin 抑制劑FH535 顯著抑制了Fisetin 介導(dǎo)的斑馬魚幼蟲黑色素生成。綜上所述，Wnt/-catenin 信號通路的激活可能促進(jìn)黑色素的生成。

4 結(jié) 語

動物的毛色性狀及烏質(zhì)性狀是動物重要的經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)性狀，黑色素在這些重要性狀中起著主導(dǎo)作用。自然界中動物黑色素資源豐富，具有許多重要的生物學(xué)功能，對動物的生長發(fā)育及應(yīng)對環(huán)境的影響至關(guān)重要。然而目前的研究中，黑色素生成的分子機(jī)制尚不明確，還需更多的研究來支撐。因而，本文對動物黑色素的形成及分子機(jī)制進(jìn)行綜述，以期為動物黑色素的研究提供理論依據(jù)。未來應(yīng)著重研究外部因子對黑色素沉積的調(diào)控作用，為動物育種創(chuàng)造新思路，為治療黑色素相關(guān)疾病（皮膚癌等）提供治療策略。